CN110635507B - 应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法 - Google Patents

应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微型电网领域，尤其涉及应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法，该微型电网***包括：若干发电单元，每个发电单元采用电压源逆变器且通过一个固定的连线阻抗与公共电网连接，该方法包括：在第k个控制周期内，计算得到第k个控制周期的基准角频率ωr.k，计算得到第k个控制周期内输出电压的角频率ωo.k和有效值Vo.k，并根据角频率ωo.k和有效值Vo.k计算得到逆变器的基准电压Vref，再根据基准电压Vref控制电压源逆变器的输出电压，从而实现对电压源逆变器输出有功功率Po和无功功率Qo的控制，使得电压源逆变器输出有功功率Po等于电压源逆变器的基准输出的有功功率Pref、电压源逆变器输出无功功率Qo等于电压源逆变器的基准输出的无功功率Qref。

Description

应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法
技术领域
本发明涉及微型电网领域，尤其涉及应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法。
背景技术
随着石油、煤炭等化石燃料价格的不断上涨，世界各国都在采取各种措施应对能源危机带来的挑战。目前，全世界都在积极推进新型高效能源***的建设，其中，分布式发电、可再生能源和微型电网技术是当前研究的热点之一。
分布式发电技术可以集成太阳能、风能等多种类型的可再生能源以及多种能量存储单元，通过逆变器等电力电子设备将其连接至公共母线并组成微型电网***，实现能源的高效率利用，并向用户提供高质量的电能。该***将分布式发电单元、分布式储能单元、用户负载以及控制***相结合，将整个微型电网***看作公共电网的一个负载，使其既可与公共电网并网连接(并网模式)，也可以在公共电网异常或者需要检修时与电网断开单独运行(孤岛模式)。
当微型电网处于孤岛模式时，公共母线与电网断开连接，通常需要多个分布式单元工作在电压源模式，以保证母线电压的质量，并保证***的稳定性和冗余性，同时还需要引入电压源并联运行控制策略以实现多个电压源分布式单元精确的分摊负载功率并消除电压源分布式单元之间的环流。
当微型电网处于并网模式时，公共电网与分布式单元直接相连。由于电网电压可以等效为相对稳定的电压源，分布式发电单元通常工作在电流源的模式，并且根据公共电网电压的实时变化精确的控制其输出电流，进而实现精确控制分布式单元并网输出功率的效果。
然而，分布式单元工作在电流源模式时，会有以下缺陷：
(1)当微型电网处于并网模式时，电流源的工作模式难以实现参与微型电网一次调频调压的功能；
(2)当微型电网在并网模式和孤岛模式之间切换时，分布式单元的控制方式需要在电流源和电压源之间切换。在这个动态过程中，控制策略的切换会导致在切换瞬间开关管驱动信号的不连续，极易造成开关动作时母线电压或电流的冲击、振荡、跌落、过冲以及频率失控等问题。
因此，一些文献提出了采用传统的下垂法并网控制策略的方法，令分布式单元在并网模式时工作在电压源的模式，以解决电流源并网控制的以上缺陷。下垂法并网控制是基于潮流控制理论发展而来的，基本原理是通过计算逆变器输出的有功功率和无功功率来修正输出电压的频率和有效值。
根据潮流控制理论，并网模式中逆变器的等效电路图如图1所示。在此图中，逆变器输出电压和电网电压均被简化为一个内阻为0的理想电压源。左侧的Vo∠θo代表逆变器输出电压，右侧的E∠0代表电网电压，其中Vo和E分别是逆变器的输出电压和电网电压的有效值，θo分别是逆变器输出电压和电网电压的相位差。中间的Zg∠φg为逆变器与电网相互连接的功率输出线的阻抗，即连线阻抗，Zg是连线阻抗的有效值，φg是连线阻抗的相位。在这个框图中，逆变器被简化为一个内阻为0的理想电压源。
当连线阻抗为纯感性阻抗时，即φg等于90°，逆变器与电网相互连接的功率输出线的阻抗Zg等于Lg，即连线电感值。此时，逆变器输出的有功功率Po和无功功率Qo可以用公式
Figure BDA0002177395150000031
表示。
由此公式可知，逆变器输出的有功功率Po和逆变器输出电压与电网电压的相位之差θo成正比关系，输出的无功功率Qo和逆变器输出电压与电网电压的有效值之差Vo-E成正比关系，ωg表示逆变器的角频率。因此，逆变器的控制器可以通过调节输出电压的相位来控制逆变器输出的有功功率，通过调节输出电压的有效值来控制逆变器输出的无功功率。
因此，在传统的下垂法并网控制中，分布式单元以电压源逆变器的形式通过固定的感性连线阻抗Lg与公共电网相连。电压源逆变器的基准输出有功功率和无功功率分别为Pref和Qref，即电压源逆变器理论上应当输出的有功功率和无功功率，其数值可以由逆变器单元根据自身的工作状态决定(例如逆变器的额定输出功率或者分布式单元当前的最大输出功率)，或者由上一级控制单元指定(例如微型电网控制单元或者***管理员)。
电压源逆变器单元的控制器通过检测自身的输出电压和输出电流计算自身实时输出的有功功率Po和无功功率Qo，然后根据公式
Figure BDA0002177395150000032
对自身输出电压的频率ωo和幅值Vo进行调整，从而实现对输出的并网有功功率Po和无功功率Qo的控制。
公式中，ωr表示电压源逆变器输出电压的额定角频率；Vr表示电压源逆变器输出电压的额定有效值；mω表示电压源逆变器输出电压的角频率的下垂系数；nv表示电压源逆变器输出电压的有效值的下垂系数。其中，Po和Pref之间的偏差以及Qo和Qref之间的偏差即为逆变器控制器对输出有功功率和无功功率的控制精度，偏差越大则说明控制精度越差。
传统的下垂法并网控制策略通过调节逆变器单元输出电压的频率和幅值，来实现对输出的并网有功功率和无功功率的控制，然而这种方法有如下缺陷：
1.传统的下垂法并网控制策略无法实现精确的控制输出的有功功率Po，有功功率Po和基准输出有功功率Pref的偏差可以用公式
Figure BDA0002177395150000041
表示。其中θref表示当Po等于Pref时逆变器输出电压的理论相位值。
具体表现在以下几个方面：
(1)当公共电网电压的角频率ωg和逆变器输出电压的额定角频率ωr相等时，有功功率Po和基准输出有功功率Pref的偏差为0；当ωg和ωr不相等时，Po和Pref的偏差不为0；
(2)当有功功率Po和基准输出有功功率Pref的偏差不等于0时，下垂系数mω越大则二者偏差越小，但是mω越大，则控制***的稳定性越差，因此mω的取值需要折中考虑；
(3)公共电网电压的角频率ωg是实时变化的，然而逆变器输出电压的额定角频率ωr以及下垂系数mω是固定不变的，因此有功功率Po和基准输出有功功率的偏差也会实时变化，即有功功率Po的控制精度会受到电网电压频率变化的影响。
2.传统的下垂法并网控制策略无法实现精确的控制输出的无功功率Qo，无功功率Qo和基准输出无功功率Qref的偏差可以用公式
Figure BDA0002177395150000051
表示，其中Vref表示当Qo等于Qref时逆变器输出电压的理论有效值，E表示电网电压的有效值。
具体表现在以下几个方面：
(1)当逆变器输出电压的额定有效值Vr和理论有效值Vref相等时，无功功率Qo和基准输出无功功率Qref的偏差为0；当Vr和Vref不相等时，Qo和Qref的偏差不为0；
(2)当无功功率Qo和基准输出无功功率Qref的偏差不等于0时，下垂系数nv越大则二者偏差越小，但是下垂系数nv越大，则控制***的稳定性越差，因此下垂系数nv的取值需要折中考虑；
(3)当无功功率Qo和基准输出无功功率Qref的偏差不等于0时，连线电感Lw越大则二者偏差越小，但是连线电感Lw越大，则连线电感Lw消耗的无功功率越大，逆变器的体积也越大，因此连线电感Lw的取值需要折中考虑；
(4)如果基准输出无功功率Qref取值不同，则对应的理论有效值Vref也不同。因此，当逆变器的基准输出无功功率Qref变化时，无功功率Qo和基准输出无功功率Qref之间的偏差也将会发生变化；
(5)公共电网电压的有效值E是实时变化的，然而逆变器输出电压的额定有效值Vr以及下垂系数nv是固定不变的，因此无功功率Qo和基准输出无功功率Qref的偏差也会实时变化，即无功功率Qo的控制精度会受到电网电压频率变化的影响。
有上述内容可知，传统的下垂法并网控制策略在实际应用中无法根据基准有功功率Pref和无功功率Qref精确的控制逆变器的输出有功功率Po和无功功率Qo。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法，以实现在电网电压变化的情况下精确的控制电压源逆变器并网情况下输出的有功功率和无功功率。
应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法，所述微型电网***包括：若干发电单元，每个发电单元采用电压源逆变器且通过一个固定的连线阻抗与公共电网连接，所述方法包括：
在第k个控制周期内，根据公式ωr.k＝ωr.k-1-mp(Po.k-1-Pref)计算得到第k个控制周期的基准角频率ωr.k，根据公式
Figure BDA0002177395150000061
计算得到第k个控制周期内输出电压的角频率ωo.k和有效值Vo.k，并根据角频率ωo.k和有效值Vo.k计算得到逆变器的基准电压Vref，再根据基准电压Vref控制电压源逆变器的输出电压，从而实现对电压源逆变器输出有功功率Po和无功功率Qo的控制，使得电压源逆变器输出有功功率Po等于电压源逆变器的基准输出的有功功率Pref、电压源逆变器输出无功功率Qo等于电压源逆变器的基准输出的无功功率Qref，
其中，ωr.k表示第k个控制周期的基准角频率；ωr.k-1表示第k-1个控制周期的基准角频率；ωo.k表示电压源逆变器第k个控制周期的基准电压的角频率；ωo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期的基准电压的角频率；Vo.k表示电压源逆变器第k个控制周期的基准电压的有效值；Vo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期的基准电压的有效值；mω表示电压源逆变器输出电压的角频率的下垂系数；mp表示基准角频率ωr.k的下垂系数；nv表示电压源逆变器输出电压的有效值的下垂系数；Po.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期实际输出的有功功率；Qo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期实际输出的无功功率；Pref表示电压源逆变器的基准输出的有功功率；Qref表示电压源逆变器的基准输出的无功功率。
本发明的有益效果：
1.本方法可以精确的控制电压源逆变器输出的有功功率Po；
具体表现在以下几个方面：
(1)本方法可以有效的控制电压源逆变器输出的有功功率Po，即通过本方法，经过一段控制时间Tp之后，可以令电压源逆变器输出的有功功率Po和电压源逆变器的基准输出的有功功率Pref的偏差最终趋近于0；
(2)本方法中电压源逆变器输出电压的角频率的下垂系数mω和基准角频率ωr.k的下垂系数mp的取值，不会影响本方法对电压源逆变器输出的有功功率Po的控制精度；
(3)本方法由于采用了公式ωr.k＝ωr.k-1-mp(Po.k-1-Pref)用于修正每个控制周期的基准角频率ωr.k，通过调节基准角频率ωr.k的下垂系数mp的数值，可以有效的改善***的稳定性，保证电压源逆变器输出频率的稳定。同时通过调节电压源逆变器输出电压的角频率的下垂系数mω和基准角频率ωr.k的下垂系数mp的参数，还可以有效的调节***的动态性能，达到***动态性能和稳定性的平衡。
2.本方法可以精确的控制输出的无功功率Qo；
具体表现在以下几个方面：
(1)本方法可以有效的控制电压源逆变器输出的无功功率Qo，即通过本方法，可以令电压源逆变器输出无功功率Qo和电压源逆变器的基准输出的无功功率Qref的偏差最终趋近于0；
(2)本方法中电压源逆变器输出电压的有效值的下垂系数nv的取值，不会影响本方法对电压源逆变器输出的无功功率Qo的控制精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明背景技术中现有技术中逆变器的等效电路图；
图2是本发明实施例应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法，所述微型电网***包括：若干发电单元，每个发电单元采用电压源逆变器且通过一个固定的连线阻抗与公共电网连接，所述方法包括：
在第k个控制周期内，根据公式ωr.k＝ωr.k-1-mp(Po.k-1-Pref)计算得到第k个控制周期的基准角频率ωr.k，根据公式
Figure BDA0002177395150000081
计算得到第k个控制周期内输出电压的角频率ωo.k和有效值Vo.k，并根据角频率ωo.k和有效值Vo.k计算得到逆变器的基准电压Vref，再根据基准电压Vref控制电压源逆变器的输出电压，从而实现对电压源逆变器输出有功功率Po和无功功率Qo的控制，使得电压源逆变器输出有功功率Po等于电压源逆变器的基准输出的有功功率Pref、电压源逆变器输出无功功率Qo等于电压源逆变器的基准输出的无功功率Qref。
其中，ωr.k表示第k个控制周期的基准角频率；ωr.k-1表示第k-1个控制周期的基准角频率；ωo.k表示电压源逆变器第k个控制周期的基准电压的角频率；ωo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期的基准电压的角频率；Vo.k表示电压源逆变器第k个控制周期的基准电压的有效值；Vo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期的基准电压的有效值；mω表示电压源逆变器输出电压的角频率的下垂系数；mp表示基准角频率ωr.k的下垂系数；nv表示电压源逆变器输出电压的有效值的下垂系数；Po.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期实际输出的有功功率；Qo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期实际输出的无功功率；Pref表示电压源逆变器的基准输出的有功功率；Qref表示电压源逆变器的基准输出的无功功率。
具体的，该控制方法的控制流程如图2所示：
步骤1：在第k个控制周期内，电压源逆变器的控制器检测自身的输出电压Vo、输出电流Io，计算出第k-1个控制周期内电压源逆变器自身输出的有功功率Po.k-1和无功功率Qo.k-1；
步骤2：电压源逆变器控制器中的基准功率计算模块，根据自身的工作状态决定，例如逆变器的额定输出功率或者分布式单元当前的最大输出功率，以及上一级控制单元指定，例如微型电网控制单元或者***管理员，更新基准输出的有功功率Pref和无功功率Qref的值；
步骤3：电压源逆变器的控制器根据有功功率Po.k-1和基准输出的有功功率Pref，通过公式ωr.k＝ωr.k-1-mp(Po.k-1-Pref)计算得到第k个控制周期内的基准角频率ωr.k；
步骤4：电压源逆变器的控制器根据有功功率Po.k-1和无功功率Qo.k-1以及Pref和Qref，并通过公式
Figure BDA0002177395150000101
计算得到第k个控制周期内输出电压的角频率ωo.k和有效值Vo.k；
步骤5：电压源逆变器的控制器根据角频率ωo.k和有效值Vo.k，并基于算式
Figure BDA0002177395150000102
计算得到电压源逆变器的基准电压Vref
步骤6：电压源逆变器的控制器将计算得到的基准电压Vref.a送至逆变器输出的驱动控制模块中，根据Vref.a生成驱动信号，控制逆变器桥式电路的功率开关器件，修正本台逆变器的输出电压Vo，从而实现对电压源逆变器输出有功功率Po和无功功率Qo的控制，使得电压源逆变器输出有功功率Po等于电压源逆变器的基准输出的有功功率Pref、电压源逆变器输出无功功率Qo等于电压源逆变器的基准输出的无功功率Qref。
1.本方法可以精确的控制电压源逆变器输出的有功功率Po；
具体表现在以下几个方面：
(1)本方法可以有效的控制电压源逆变器输出的有功功率Po，即通过本方法，经过一段控制时间Tp之后，可以令电压源逆变器输出的有功功率Po和电压源逆变器的基准输出的有功功率Pref的偏差最终趋近于0；
(2)本方法中电压源逆变器输出电压的角频率的下垂系数mω和基准角频率ωr.k的下垂系数mp的取值，不会影响本方法对电压源逆变器输出的有功功率Po的控制精度。
(3)本方法由于采用了公式ωr.k＝ωr.k-1-mp(Po.k-1-Pref)用于修正每个控制周期的基准角频率ωr.k，通过调节基准角频率ωr.k的下垂系数mp的数值，可以有效的改善***的稳定性，保证电压源逆变器输出频率的稳定。同时通过调节电压源逆变器输出电压的角频率的下垂系数mω和基准角频率ωr.k的下垂系数mp的参数，还可以有效的调节***的动态性能，达到***动态性能和稳定性的平衡。
2.本方法可以精确的控制输出的无功功率Qo；
具体表现在以下几个方面：
(1)本方法可以有效的控制电压源逆变器输出的无功功率Qo，即通过本方法，可以令电压源逆变器输出无功功率Qo电压源逆变器的基准输出的无功功率Qref的偏差最终趋近于0；
(2)本方法中电压源逆变器输出电压的有效值的下垂系数nv的取值，不会影响本方法对电压源逆变器输出的无功功率Qo的控制精度。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.应用于微型电网***并网模式的电压源逆变器控制方法，所述微型电网***包括：若干发电单元，每个发电单元采用电压源逆变器且通过一个固定的连线阻抗与公共电网连接，其特征在于，所述方法包括：
在第k个控制周期内，根据公式ωr.k＝ωr.k-1-mp(Po.k-1-Pref)计算得到第k个控制周期的基准角频率ωr.k，根据公式
Figure FDA0002977899120000011
计算得到第k个控制周期内输出电压的角频率ωo.k和基准电压的有效值Vo.k，并根据角频率ωo.k和基准电压的有效值Vo.k计算得到逆变器的基准电压Vref，再根据基准电压Vref控制电压源逆变器的输出电压，从而实现对电压源逆变器输出有功功率Po和无功功率Qo的控制，使得电压源逆变器输出有功功率Po等于电压源逆变器的基准输出的有功功率Pref、电压源逆变器输出无功功率Qo等于电压源逆变器的基准输出的无功功率Qref，
其中，ωr.k表示第k个控制周期的基准角频率；ωr.k-1表示第k-1个控制周期的基准角频率；ωo.k表示电压源逆变器第k个控制周期的基准电压的角频率；ωo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期的基准电压的角频率；Vo.k表示电压源逆变器第k个控制周期的基准电压的有效值；Vo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期的基准电压的有效值；mω表示电压源逆变器输出电压的角频率的下垂系数；mp表示基准角频率ωr.k的下垂系数；nv表示电压源逆变器输出电压的有效值的下垂系数；Po.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期实际输出的有功功率；Qo.k-1表示电压源逆变器第k-1个控制周期实际输出的无功功率；Pref表示电压源逆变器的基准输出的有功功率；Qref表示电压源逆变器的基准输出的无功功率。
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CN105790310A (zh) * 2015-04-23 2016-07-20 浙江大学 一种应用于微型电网***孤岛模式中基于环流功率理论的分布式并联控制方法

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智能微型电网***孤岛模式中逆变器并联控制技术的研究;高明智;《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑（月刊）》;20161015(第10期);第72-90页 *

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CB02 Change of applicant information
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Address after: 311500 No. 288 Shizhu Road, Tonglu Economic Development Zone, Hangzhou City, Zhejiang Province

Applicant after: Zhejiang arrow network energy technology Co.,Ltd.

Address before: 311500 No. 288 Shizhu Road, Tonglu Economic Development Zone, Hangzhou City, Zhejiang Province

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